适用于不同含硫煤烟气的氨法脱硫技术

2013-05-23 09:35梁兴举徐长香傅国光
中国环保产业 2013年2期
关键词:氨法平衡常数利用率

梁兴举,徐长香,傅国光

(1.广西麻石电厂,广西 融安 545400;2.江苏新世纪江南环保股份有限公司,南京 211100)

目前已工业应用的烟气脱硫技术主要有氨法、石灰石-石膏法、循环流化床、NID工艺、海水脱硫工艺等方法。石灰石-石膏法是现在世界上应用较广泛的工艺,其特点是工艺成熟、吸收剂来源广泛,但该工艺对煤种适应性不强,同时存在副产物处置较为困难、运行成本偏高、系统复杂、投资大、设备占地多等缺点;循环流化床和NID工艺通常适用于中小机组和老机组改造,目前单机最大容量为300MW,但需要使用高活性的石灰,吸收剂不易获得,且在SO2浓度较高时,其脱硫效率不能保证;海水脱硫工艺仅适用于沿海地区燃用中低硫煤的电厂[1]。

许多脱硫技术对煤种适应性不强,特别是燃用高硫煤锅炉烟气的SO2脱除无法保证高效率,难以满足国家对SO2排放的环保要求。

氨法脱硫技术因具有脱硫效率高、无二次污染、回收二氧化硫得到的副产品可资源化利用等独特优势而备受关注[2]。本文旨在从氨法脱硫机理分析及氨法工程实践应用等方面,阐述和论证氨法脱硫对高中低硫煤种的烟气脱硫适应性,以供广大用户选择脱硫技术时参考。

1 氨法脱硫理论分析

1.1 SO2吸收动力学

氨法脱硫是以液氨或氨水为吸收剂,与烟气中的SO2进行气液接触发生反应:

该法是典型的气-液两相过程,在水溶液中,SO2的吸收反应按如下离子反应进行:

根据气体吸收的双膜理论模型可知,氨法脱硫反应中由于SO2吸收属于气膜传质控制,因此在反应式①至⑤中,反应式⑤是整个吸收反应速率的控制步骤。

反应式①至⑤的离解平衡常数可表述为:

式⑥中,A1~ A4均为常数值,其值如表1所列。

由表1分析,在500K以下的温度范围内,SO2在水溶液中离解平衡常数能保持一个较高的数值,且都大于氨的离解平衡常数,属易溶气体。因此氨法在吸收二氧化硫过程中,特别是在烟气中含有二氧化硫的条件下,容易保证SO2在吸收液中有较高的溶解度。

表1 SO2和NH3在水溶液中的离解平衡常数值

1.2 吸收过程热力学研究

陈梅倩等人进行了氨法脱硫的动力学和热力学分析,其结果表明温度是氨法脱硫反应平衡常数的主要影响因素,并决定脱硫效率;在60℃以下脱硫效率都在98.5%以上;氨法脱硫反应的活化能为46kJ/mol;一般来说,大多数反应的活化能在40k~400kJ/mol范围内,而氨法脱硫反应的活化能仅为46kJ/mol,其反应发生所需的活化能低,表明氨法脱硫反应是非常容易进行的[3]。

Shade等指出喷入氨的量与SO2的摩尔比小于2时,完全脱除SO2是可能的[4]。

氨脱硫剂无论是以液态还是以气态参与反应,同硫氧化物之间都呈均相反应;而钙质脱硫剂无论是以粉状还是以浆状投入,同反应物之间均是异相反应,反应仅在其表面进行,反应产物封闭表面后,颗粒内部成分很难得到利用,即使延长反应时间,也仅能获得在扰动中颗粒破碎的好处。这种情况也不能用催化剂加以改善。从反应动力学上看,二者在反应速率、反应进行完全程度上相差数个数量级[5]。

以上研究表明,影响氨法脱硫反应平衡常数的主要因素是温度,脱硫反应属均相反应,具有较高的平衡常数和低活化能,反应容易进行,反应速率快、脱硫效率高,可以适应各种高、中、低硫煤种的烟气脱硫的要求。

2 氨法脱硫工程应用

氨法烟气脱硫技术在燃用高、中、低硫煤种时容易达到较高的脱硫效率,但在维持高脱硫效率下易出现氨损较大的问题,即氨利用率低的问题。江苏某环保公司研发的氨法烟气脱硫技术,在确保氨利用率>97%的条件下,又能维持95%甚至更高的脱硫效率。本文以该氨法工程实践应用的情况,说明氨法脱硫技术对于高、中、低硫煤种的烟气脱硫的适用性情况。

2.1 低硫煤锅炉烟气脱硫

扬子石油化工有限责任公司4×220t/h+410t/h锅炉烟气脱硫工程,共设置2个脱硫塔,总处理烟气量150万Nm3/h,燃煤含硫量约0.97%。表2为2008年8月脱硫装置168h运行期间考核性能指标表。从表2可以看出,在出口氨含量小于8ppm,即氨利用率非常高的情况下,脱硫率达到96.51%,出口烟气SO2浓度仅有52.97mg/Nm3。

表2 扬子石油化工有限责任公司脱硫装置性能技术指标

2.2 高硫煤锅炉烟气脱硫

广西田东电厂2×135MW机组烟气脱硫工程,按2炉1塔设计,单塔处理烟气量为110万Nm3/h,燃煤含硫量约为2%。

表3为该脱硫装置进行测试获得的性能指标。表3说明,在氨利用率为98%的情况下,脱硫率可达到96%以上,所得的测试值均优于设计保证值。

表3 田东电厂装置性能技术指标

2.3 超高硫煤锅炉烟气脱硫

重庆龙桥热电有限公司2×130t/h锅炉烟气脱硫工程,按2炉1塔设计,单塔处理烟气量为32万Nm3/h,燃煤含硫量为5.05%。表4为该装置性能指标。从表4可以看出,在烟气SO2浓度约为12,000mg/m3时,氨法脱硫的脱硫效率同样可以保证达到97.8%。

表4 重庆龙桥热电有限公司脱硫装置性能技术指标

重庆中梁山电厂2×35t/h锅炉烟气脱硫工程,按2炉1塔设计,单塔处理烟气量为13万Nm3/h,设计燃煤含硫量达8%,烟气SO2含量为1.5万~2万mg/Nm3,经氨法烟气技术脱硫,该工程脱硫率达99.6%,同时氨利用率在97%以上。

从上述氨法烟气脱硫工程实践的应用情况来看,氨法无论是对于低硫煤、高硫煤还是超高硫煤,烟气脱硫都能达到95%甚至更高的脱硫效率,同时该氨法烟气在保持高的脱硫效率下氨的利用率不低于97%。

3 结语

(1)氨法脱硫反应具有较大的平衡常数和低活化能,反应易进行,反应速率快,脱硫效率高,能满足高、中、低硫煤的烟气脱硫要求。

(2)氨法脱硫技术既能保证氨利用率>97%,又能使高、中、低硫煤保持高的脱硫效率,可以弥补目前其他烟气脱硫技术对煤种适应性差的不足,对适应锅炉煤种变化有重要作用,值得广大用户关注。

[1]徐长香,傅国光.氨法烟气脱硫技术综述[J].电力环境保护,2005,21(2):17-20.

[2]朱世勇.环境与工业气体净化技术[M]. 北京: 化学工业出版社,2001.

[3]陈梅倩,何伯述,陈广华,等. 氨法脱硫反应特性的化学动力学分析[J].环境科学学报,2005,5 (7): 886-889.

[4]何伯述.氨法联合脱除SO2和CO2的实验研究及电厂的生态效率评价[R].清华大学博士后出站报告,2002.

[5]韩德刚,高执棣,高盘良.物理化学[M].北京: 高等教育出版社,2001.

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